空分高压氧温度计套管断裂原因分析

武建朝 王龙权 左世飞 贾武军 王波

摘要： 针对空分装置24 mm的06Cr17Ni12Mo2双金属温度计套管在吹扫时发生的焊缝根部断裂现象进行了试验，重点分析了根部焊缝的化学成分、显微组织、力学性能、断口形貌、共振模拟试验等方面的内容。结果表明，断裂原因与焊接没有太大关系；主要原因是在吹扫时，由于3支温度计套管排列在同一条直线上，在吹扫流速不断变化过程中温度计套管产生横向共振和纵向共振，从而诱发温度计套管发生扭转疲劳脆断。后期通过增加温度计套管的直径、严格控制吹扫流速来控制共振的发生，从而消除了断裂现象。

关键词： 温度计套管； 断裂； 焊接； 共振

中图分类号： TG 47

Analysis on fracture of hyperbaric oxygen thermowells of air separation unit

Wu Jianchao1， Wang Longquan2， Zuo Shifei1， Jia Wujun1，Wang Bo1

（1.SHCCIG Yulin Chemical Co.， Ltd.， Yulin 719000， Shaanxi， China;

2.Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150000， Heilongjiang， China）

Abstract： Test was carried out for the occurred weld root fracture phenomenon of 24 mm 06Cr17Ni12Mo2 bimetallic thermowells during purging， and chemical composition， microstructure， mechanical properties， fracture morphology， resonance simulation test and other aspects of root weld were analyzed. The results showed that the reason for fracture had little to do with welding. The main reason was that three thermowells were arranged in the same straight line during purging， and thermowells produced transverse resonance and longitudinal resonance during the constant change of purging flow rate， which induced torsional fatigue brittle fracture of thermowells. In the later stage， the resonance was controlled by increasing diameter of thermowells and strictly controlling purge flow rate， thus eliminating the fracture phenomenon.

Key words：  thermowells; fracture; welding; resonance

0 前言溫度作为化工装置最重要的生产参数之一，对化工厂的平稳安全运行及物料反应控制有着至关重要的作用，双金属温度计因其测量温度范围广（-200～700 ℃），可适用于蒸汽、气体、液体等介质的温度测量，在化工生产装置得到了广泛应用。双金属温度计是将热敏电阻金属片制成温度传感装置，安装在保护套内，一端固定在被测介质的管路或装置上，另一端与远距离的传感系统相连接。当温度变化时，感温装置将温度变化情况转化为电信号传导至DCS主柜上，由于感温元件一般安装在管道的内部，所以测得的温度值就是双金属温度传感器所在位置的管道内部介质温度。但氧气、高压蒸汽及部分有毒有害气体发生泄露，温度计套管一般采用焊接连接，而温度计套管焊缝处的断裂事件也时有发生。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为24 mm的06Cr17Ni12Mo2金属温度计套管，焊接材料为与之相匹配的E316-16。焊接方法采用氩弧焊打底，焊条电弧焊填充盖面，焊接形式为角接，焊接位置为3支温度计套管垂直等距离并列，安装在氧气管道3点钟位置，断裂套管位于中间，断裂位置在焊缝根部，断面较为齐整。

1.2 试验方法

温度计套管在试验前均采用渗透检测和涡流检测2种方法进行无损检测，经检测没有发现套管表面和近表面有裂纹瑕疵。针对现场断裂的温度计套管，对其化学成分、力学性能、显微组织、断口形貌及共振模拟计算进行了分析试验。

2 试验结果与分析

2.1 化学成分

为准确地测出温度计套管的化学成分，采用Spectro test txc35 sp-19008735便携式全定量光谱仪对温度计套管进行测量，检测环境温度为24 ℃，空气湿度为38%RH。表1所示为测得的套管材料元素含量。按照GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》［1］对比分析温度计套管的化学成分，对比后发现，其含量全部在标准值范围内，表明材料的化学成分符合标准规范的要求。

2.2 冲击试验

因受到温度计套管本身尺寸限制，无法完成拉伸和弯曲试样的制备，只能从套管上制作5 mm×10 mm×50 mm的冲击试样，为了真实还原焊缝断裂情景，在温度计套管上采用同样焊接工艺进行堆焊，确保在套管的焊缝根部热输入与现场焊缝相当，该次试验共制备冲击试样1组6个，试验采用452D-2（301）型摆锤冲击试验机，试验环境温度-196 ℃，空气湿度42%RH。根据GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》［2］进行冲击试验，得出表2的冲击试验数据。从表2试验数据可得，最大冲击吸收能量为105.43 J，最小冲击吸收能量为97.36 J，所有试验数据均大于GB 150.4—2011《压力容器 第4部分 制造、检验和验收》［3］中第9.1.3.4 条规定：“除另有规定，奥氏体型钢材的焊缝金属冲击试验合格指标为冲击吸收功不小于31 J”的要求。冲击试样残片如图1所示。

2.3 显微组织

通过截取其中一断裂套管断口面并研磨抛光，按照GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》［4］中规定的“用5 mL硝酸+1 mL氢氟酸（48%）+44 mL水，侵蚀时间5 min”试验方法，利用Min100金相显微镜进行观察，金相显微组织如图2所示。晶粒均为等轴状，晶粒内有孪晶，个别晶粒内有残留，未发现其他异常组织。

2.4 断口形貌

经现场检查，断裂的套管位于3根套管的中间位置，为更好地分析断裂原因，现场从氧气管道上拆下另外2根未断裂的温度计套管进行表面检测，经渗透检测发现，焊缝根部也存在横向裂缝，套管断裂现场及未断裂的套管表面检测照片如图3所示。

后续吹扫过程中，又发现2处温度计套管断裂。图4为温度计套管断面的宏观形貌。通过宏观观察现场断裂的套管，端口面整体呈现梅花形断口，且断面较为齐平，通过对现场断裂的套管部位进行综合测量及对比标准的疲劳断裂形貌图，初步确定该次套管断裂属于扭转疲劳断裂。

为更好地找出温度计套管断裂原因，使用扫描电镜进行对断口进行分析，图5为温度计套管断面的微观形貌。经低倍放大观察，发现断口面存在高低差并伴有放射狀花纹。经高倍电镜扫描观察，断口属于典型疲劳脆性断裂解离形貌。进一步证实该温度计套管的断裂属于疲劳脆断，非焊接应力导致的脆断。

2.5 共振分析

由于现场有3套空分装置，断裂的温度计套管均位于中间位置，经研究分析该断裂可能与氧气主管内部流体流速过高或吹扫时同一直线排列的3支温度计所产生的共振有关，所以根据SH/T 3005—2016《石油化工自动化仪表选型设计规范》［5］中5.3.11 f条的规定：“在工艺流体温度、压力、流速较高或管径较大场合，对温度计套管应依据 ASME PTC 19.3 TW-2016《Thermowells performance test codes》［6］标准做振动频率及应力符合性计算”的要求，对现场安装的温度计套管固有频率、涡流脱落频率及可能引起保护套管产生共振的情况进行计算。

2.5.1 温度计套管固有频率fcn的计算方法

现场使用的温度计套管为锥体温度计套管，其根部外径为A=24 mm，锥体端部外径为B=12.5 mm，外径平均为Da=18.25 mm，温度计套管内径为d=7 mm，温度计套管顶端最小厚度为t≈3 mm，吹扫时，氧气主管道内部流速在5～37 m/s之间，保护套管按照设计要求的焊接位置位于由直管变为锥管的位置，即插入深度为L≈100 mm。插入深度基本满足SH/T 3005—2016中第5.3.11 e条的规定：“在管道内安装时，插入深度宜位于管道直径的1/3～1/2处，并且应至少插入管道内 50 mm”的要求。以下计算需要根据相关参数和ASME PTC 19.3 TW-2016中规定的计算方法来完成。

fcn=Hc×fn（1）

Hc=1－0.61A/L1+1.5b/a2（2）

fn=Hf×Ha，f×Ha，s×fa（3）

式中：fcn为温度计套管焊接完成后的固有频率；Hc为温度计套管的弹性修正系数；fn为温度计套管自然频率；Hf为实体梁理论偏差修正系数；Ha，f为流体的附加质量修正系数；Ha，s为传感器质量修正系数；fa为温度计套管的近似自然频率。

当套管与管道连接方式为焊接时，在式（2）中，一般设定b为0；A为温度计套管根部外径；L为插入主管深度；故计算可得出Ηc≈0.976 6。

当套管为锥形套管时：

Hf=0.991+1－B/A+1－B/A21+1.1Da/L31－0.8d/Da（4）

式中：B为套管锥形端部外径； Da为套管平均外径；d为套管内径；故计算可得出Hf≈1.184 6。

Ha，f=1－ρρm（5）

式中： ρ为压缩空气密度，kg/m3。吹扫时管道温度约为20 ℃，吹扫管道内压力约为6.0 MPa，此时管内的空气密度约为70.146 kg/m3。ρm为套管的密度，即06Cr17Ni12Mo2的密度约为7 908.8 kg/m3。故可计算得出Ha，f≈1.008 9。

Ha，s=1－ρsρm1Da/d2－1（6）

式中：ρs为测温元件的密度。热电阻或热电偶ρs=2 700 kg/m3。故计算可得Ηa，s≈0.941 1。

fa=1.87522πEIm1L2（7）

式中：I为转动惯量；m为温度计套管单位长度的质量；E为使用温度下温度计套管的弹性模量，在ASME PTC 19.3 TW-2016中查阅可得约为195 GPa。

I=πD4a－d464（8）

m=ρmπD4a－d44（9）

故计算可得：

fa=1.87522πEIm1L2≈256 Hz（10）

故可得：

fcn=Hc×Hf×Ha，f×Ha，s×fa

=0.976 6×1.184 6×1.008 9×0.941 1×256

=281.2 Hz（11）

2.5.2 温度计套管涡旋脱落频率fs的计算方法

吹扫时管道内空气流速与温度计套管涡旋脱落频率有关，也就是：

fs=NsVB（12）

式中：Ns为斯特罗哈数，约为0.22左右；V为管道内介质流速，吹扫时管道内流速在5～37 m/s之间变化；B为套管头部直径，即B=0.012 5 m。故计算可得 86 Hz≤fs≤651.2 Hz。

2.5.3 判断共振现象产生的依据

温度计套管自然频率（fcn）与介质涡旋脱落频率（fs）的频率比值（r）是判断共振现象发生的依据。温度计套管插入流体时阻碍流体流动，造成套管两侧涡旋交替出现，称为卡门涡街（Karman Vortex Street）。涡旋脱落在温度计套管上产生横向振动升力和纵向振动阻力2种力。两者频率分别为fs和2fs。当fs或者2fs与f cn接近时，发生共振现象，即：fs=0.5f cn时，发生纵向共振；当fs=f cn时，发生横向共振。

通过以上2.5.1和2.5.2计算可看出：f cn=274 Hz，86 Hz≤fs≤651.2 Hz。在吹扫过程中，既有fs=0.5f cn，也有fs=f cn的情况发生，因此，根据共振现象发生的依据，可以得出该次吹扫过程中确实发生了纵向共振和横向共振两种共振现象，另外加上流体通过套管时产生的压差，使得温度计套管发生了断裂，这也是断口形貌呈现扭转性疲劳脆断的主要原因。

3 结论

根据该次试验数据及温度计套管的断裂原因分析，导致套管的断裂主要原因是3支套管安装在同一直线上，吹扫时由于介质流速不断变化，发生了横向共振和纵向共振2种共振现象，加上流体通过套管时产生的压差，从而造成了套管的扭转疲劳脆断，与焊接应力无关。

参考文献

［1］ 全国钢标准化技术委员会. 不锈钢和耐热钢牌号及化学成分：GB/T 20878—2007［S］. 北京： 中国标准出版社， 2007.

［2］ 全国钢标准化技术委员会. 金属材料 夏比摆锤冲击试验方法： GB/T 229—2020［S］. 北京： 中国标准出版社， 2020.

［3］ 全国锅炉压力容器标准化技术委员会. 压力容器 第4部分：制造、检验和验收：GB 150.4—2011［S］. 北京： 中国标准出版社， 2011.

［4］ 全国钢标准化技术委员会. 金属显微组织检验方法：GB/T 13298—2015［S］. 北京： 中国标准出版社， 2015.

［5］ 中国石化工程建设有限公司. 石油化工自动化仪表选型设计规范： SH/T 3005—2016［S］. 北京： 中国石化出版社， 2016.

［6］ ASME.Thermowells performance test codes： ASME PTC 19.3 TW-2016［S］. New York， USA： The American Society of Mechanical Engineers， 2016.

收稿日期： 2023-02-17

武建朝简介： 学士，工程师；主要从事现场焊接技术质量管理；wujc@shccig.com。